Определение напряжений и деформаций в рабочих валках прокатного стана при получении гладкой стали диаметром 65мм

  Для уменьшения напряжений в валках необходимо разрабатывать рациональный технологический режим прокатки, который предполагает применение рациональной схемы обжатий, рационального температурного режима прокатки, эффективных технологических смазок, охлаждения валков и др., позволяющих значительно снизить действующие на валки усилия и, следовательно, повысить сопротивляемость усталостным разрушениям.

Основным критерием допустимости усилий металла на валки является среднее удельное давление, которое ( по данным А.В. Третьякова) не должно превышать 1500-2000 Н/мм², в зависимости от материала валков.

Причиной ускоренного износа валков, кроме трения, часто является выкрашивание, которое может быть механическим, обусловленным неравномерным давлением  на валок или термическим, вызываемым резкими колебаниями температуры  в рабочем слое валка. Лучший способ избежать выкрашивания — это обеспечить равномерный нагрев проката и  равномерное охлаждение валков при  прокатке, а также своевременную  их переточку при первых следах выкрашивания.[4,стр 108]

Износ поверхности валка не может  быть равномерным, обычно появляется много  мелких впадин на той части валка, которая соприкасается с прокатываемым  металлом. Эти точечные углубления увеличиваются и соединяются  под совместным влиянием высокого давления горячего металла, охлаждающей жидкости и окисляющего действия воздуха, образуя сетку желобков-разгаров. Если не произвести своевременной переточки  бочки валка, то в глубине желобков развиваются мелкие трещинки. Поэтому  целесообразнее удалять разгары непосредственно после их появления. Снимая слой толщиной 0,5—1 мм, и не допустить их увеличения до размеров, требующих снятия 3—5 мм. Сетка разгаров — такой дефект, который не всегда можно устранить. Поэтому большое значение имеет правильность выбора валков. Так, например, валки с шаровидным графитом в рабочем слое более стойки к образованию сетки разгаров.

Износ валков значительно ускоряется, если поверхность прокатываемого металла  покрыта окалиной. Частицы окалины  вдавливаются и поверхность валка  особенно сильно, если твердость валка  недостаточна. В результате мелкой шероховатости, возникающей на валке, его износ увеличивается. Особенно опасна высокотвердая окалина (Ре₃О₄), образующаяся при температуре 950°С и выше. Поэтому необходимо интенсивное удаление окалины с прокатываемого металла с помощью окалиноломателя и гидросбива, при этом следует иметь в виду, что на очищенной поверхности сразу начинает образовываться новая окалина за счет внутреннего тепла проката. Кроме этого на поверхности самого валка образуется оксидная пленка. На ее рост влияют температура поверхности валка, время взаимодействия с воздухом или эмульсией и склонность материала валка к окислению. Уменьшение роста оксидной пленки возможно за счет сокращения времени воздействия высокой температуры на поверхности валка. Поэтому охлаждение валков должно проводиться как можно ближе к очагу деформации. Рекомендации в этой области таковы: объем охлаждающей жидкости должен быть распределен в соответствии 1/3 на входе и 2/3 на выходе из клети, что значительно повышает эффективность систем охлаждения. Для уменьшения тепловых напряжений с помощью систем охлаждения необходимо поддерживать постоянными температуру и перепад ее по сечению и длине бочки валка.

Большое значение, особенно для станов холодной прокатки, имеет твердость  рабочих и опорных валков, а  также оптимальное их соотношение. Во избежание выкрашивания рекомендуется  твердость опорных валков поддерживать в пределах 6070 HSD. при котором практически не наблюдается дефект типа "выкрошка" [11].

Для повышения стойкости валков большое значение имеет их поверхностное  упрочнение: накаткой роликами, электроискровое, микроплазменным упрочнением, дробеструйной  обработкой и другими методами.

Мероприятия третьей группы включают восстановление валков и рациональную их конструкцию для тех или иных станов.

Изношенные валки с почти  полностью выработанным активным закаленным слоем бочки или с неудовлетворительным состоянием шеек и бочки направляют на переплав, в то же время такие  валки могут быть восстановлены  путем переточки на меньший размер и соответствующей термической  обработкой. При таком восстановлении полностью исключается сталеплавильный  и кузнечный переделы, а затраты  на восстановление валков равны примерно половине затрат на изготовление новых. [5,стр 199]

Мероприятия по совершенствованию  конструкций рабочих и опорных  валков многообразны и широко используются для различных станов. Так, например, делают скосы по краям бочек, нарезают канавки на опорных валках, используют бандажированные валки и др., что  позволяет во многих случаях увеличить  стойкость и работоспособность  валков.

Следует отметить, что успешная эксплуатация валков во многом зависит от контрольно-измерительной  аппаратуры, ультразвукового контроля, качества приборов для замера твердости, технологической оснастки, а также  оснащенности вальцетокарных и вальце-шлифовальных отделений и участков цеха.

Увеличение срока службы валков зависит от ряда мероприятий, которые  должны выполняться в соответствии с существующими инструкциями по эксплуатации валков. Одним из важных мероприятий является правильное хранение и транспортировка валков. Для  хранения валков должны быть установлены  специальные стеллажи, исключающие  возможность повреждения поверхности  бочки или шейки валка, а также  касания валков между собой. Сортовые валки следует хранить в пирамидах комплексно и в том порядке, в каком они находятся в клети, что позволит избежать повреждения поверхности калибра и сколов буртов.

Температура помещения, где хранятся валки, не должна колебаться, ее необходимо поддерживать на постоянном уровне.

Шлифованные валки и подлежащие шлифовке должны храниться отдельно на разных стеллажах. Во время хранения валки покрывают антикоррозийной  смазкой, которую удаляют только перед установкой валков в клеть.

Устанавливать валки в клеть  необходимо с целым рядом предосторожностей  во избежание удара валка о  валок. Так, например, для этой цели на нижний валок укладывают фетровую или деревянную прокладку, предохраняющую валки от повреждений во время  перевалки. После перевалки валки  должны быть тщательно установлены  и одинаково прижаты по всей длине  бочки. [6,стр 220]

Транспортировку валков в цехе необходимо проводить с большой предосторожностью  на специально приспособленных для  этой цели тележках, предохраняя их от ударов и толчков, не допуская каких-либо забоин на них. При перевозке валков в зимних условиях, когда перепад температур в цехе и наружной среды достигает 50С° и более, требуется принятие определенных мер для обеспечения постоянства эксплуатационных свойств валков.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2 Определение  напряжений в рабочих валках прокатного стана

2.1 Контактные напряжения в валках

Прокатные валки работают в условиях совместного действия остаточных, контактных, изгибающих напряжений, тепловых нагрузок и крутящего момента.

Напряжения в валках, как  было указано ранее, можно разделить  на две группы: возникающие в процессе изготовления валков главным образом  в результате термической обработки (остаточные напряжения); и возникающие в процессе эксплуатации. Эти напряжения вызваны двумя факторами - силовым (усилие прокатки, натяжение полосы, крутящий момент) и тепловым - нагрев валков за счет тепла, выделяющегося в процессе пластической деформации прокатываемого металла, и охлаждения их водой.

Изгиб валковой системы, обусловленный  усилием прокатки, как правило, оказывает  влияние на прочность бочек и  шеек опорных валков. На стойкость  рабочих валков наибольшее влияние  оказывают контактные напряжения.

Максимального значения они  достигают, как правило, не в зоне взаимодействия валка с прокатываемым  металлом, а у поверхности контакта рабочего и опорного валков, так  как при одинаковом усилии площадь  контакта между рабочим и опорным  валками значительно меньше площади  контакта рабочего валка с прокатываемым  металлом в зоне деформации (рис. 3.13).Особенно велики контактные напряжения при холодной прокатке (иногда они достигают предела  усталостной прочности материала  валка). В этом главная причина низкой стойкости рабочих валков и выход их из строя в результате поверхностных разрушений.

Для приближенного расчета  контактных напряжений используют теорию Герца—Беляева о сжатии двух гладких  цилиндров, которая базируется на следующих  допущениях: длина площадки контакта двух цилиндров бесконечна, усилие по ее длине не меняется и касательные  силы трения в зоне контакта отсутствуют.

В результате контакта валков по всей длине бочки под действием  усилия прокатки происходит упругое  сжатие валков и появляется полоса контакта шириной 2b. (см. рис. 3.13.).

Эпюра распределения давлений по ширине площадки контакта рабочего и опорного валков принимают эллиптической (см. рис. 3.13). Максимальное давление находится  в середине площадки и равно

                             (3.32)

Поскольку длина площадки контакта бесконечна; то напряжения не зависят от осевой координаты z.

Среднее контактное напряжение

             (3.33)

 

Максимальные напряжения возникают в точках, лежащих в  плоскости хуz (рис. 3.15), в которой действует максимальное давление (при у = 0).

Для этих точек значения напряжений рассчитывают  по формулам:

  

                       

              (3.34)

Все компоненты касательных  напряжений для этих точек равны  нулю. Следовательно, для точек, лежащих  в плоскости симметрии двух соприкасающихся  цилиндров, , ,  являются главными нормальными напряжениями. Определим запас прочности,   найдем эквивалентное напряжение, воспользовавшись третьей теорией прочности, т. е. теорией максимальных касательных напряжений, согласно   которой эквивалентное напряжение определяется как разность максимального и минимального главных нормальных напряжений: .

На рис.3.15 видно, что наибольшая разность главных нормальных напряжений находится не на поверхности валка, а на некоторой глубине от нее, где максимальным является окружное напряжение , минимальным — радиальное напряжение .

Расчеты показывают, что  координата наиболее напряженной точки . Подставив это значение в уравнения , получим

                          

                 (3.35)

Откуда    

Максимальное касательное  напряжение:

                (3.36)

Из системы уравнений (3.34) видно, что напряженное состояние  наиболее нагруженных точек зоны контакта валков — трехосное сжатие. Особенность такого напряженного состояния  заключается в том, что если абсолютная величина сжимающего напряжения станет больше под действием какого-либо другого фактора (например, от температурных или остаточных напряжений), то разность или эквивалентное напряжение, уменьшится, в результате чего возрастет запас усталостной прочности поверхностного слоя валка. Определим компоненты напряжений в центре валка, при   . Примем . Подставляя значение координаты в выражения (3.36) и принимая во внимание, что    и положив ,получим

                               (3.37)

Следует отметить, что в  реальных условиях при прокатке на четырех валковом или многовалковом  стане между опорным и рабочим  валками действуют касательные  силы трения и кроме того совместное действие изгиба и упругого сжатия валков приводит к неравномерному распределению  меж валкового давления по длине их контакта, т.е. положения, принятые в основу при выводе формул Герца - Беляева, не выполняются.[6,стр 77]

Как считает А. И. Целиков, влияние касательных сил трения на напряженное состояние валков выражается в приближении точки  с наибольшим касательным напряжением  из глубины к поверхности соприкасающихся  тел и в возрастании величины этого напряжения с увеличением  коэффициента трения . При этом максимальное межвалковое давление может превышать среднее в раза и более.

Следовательно, при определении  по формуле (3.32) необходимо ориентироваться на максимальные значения по длине бочки (с учетом действительного профиля контактирующих валков).

С учетом этих поправок и  уточнений применение теории Герца—Беляева  для практических расчетов в большинстве  случаев оправдано.

Таблица 1. Допускаемые контактные напряжения в зависимости от твердости поверхности бочки валка

Твердость			Допускаемое максимальное давление,МПА	Допускаемое эквивалентное  напряжение,МПА
По Бринеллю	По Шору	По Роквеллу
170	30	17	1600	950
250	40	28	2000	1200
350	60	39	2200	1300
550	85	57	2400	1450

 

Рекомендации по выбору допускаемых  напряжений в зависимости от твердости  поверхности бочки опорного валка приведены в табл.1.

Действие дополнительных температурных напряжений может  оказаться решающим для прочности  валков, даже если эти напряжения в  сравнении с контактными невелики. Эквивалентное напряжение может  превысить предел усталостной прочности  материалов валков, что приведет к  преждевременному их разрушению (выкрашиванию, трещинам, отколам) и выходу из строя.

Если температурные напряжения в поверхностном слое сжимающие, то они оказывают благоприятное  воздействие на прочность валков. И напротив, если они растягивающие, то эквивалентное напряжение возрастает, а запас усталостной прочности  снижается.